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17 mars 2009 2 17 /03 /mars /2009 17:09




résumé



La variation d'irradiance solaire lors du cycle de 11 ans, est responsable d'une variation concomitante de la température globale de surface.

Selon les auteurs, le signal à la surface va de 0.06°C, à, pour Camp et Tung, 0.17°C par unité de TSI (Total Solar Irradiance).

Dans un premier temps on présentera l'estimation, propre à ce site, du signal global.

On verra que cette estimation est proche de 0.1°C.

On établira que l'amplitude de ce signal est incompatible avec un modèle climatique simple, à une seule couche qui reproduit pourtant assez bien l'évolution de la température globale à long terme.


Sera présenté ensuite, un modèle un peu plus complexe, à plusieurs couches, ainsi que sa calibration par l'utilisation du cycle saisonnier et de l'évolution long terme (Levitus).


Le cycle solaire de 11 ans sera traité par ce modèle afin de déterminer l'amplitude du signal de surface.


Là encore, malgré une amélioration des résultats, il apparaîtra nécessaire, d'affecter un coefficient d'amplification relativement important, de l'ordre de 3, pour « coller » aux « observations ».

Il est important de noter que ce coefficient d'amplification ne se justifie que dans le cas d'un forçage radiatif purement TOA, donc sans prendre en compte des modifications éventuelles des paramètres de surface.


Enfin, le modèle sera utilisé pour tenter une nouvelle reconstruction de l'évolution de la température globale de 1881 à 2008, en utilisant une évolution du forçage solaire dérivée de Wang, Lean et Shelley (2005) et en utilisant le facteur d'amplification déterminé plus haut.




1-     forçage radiatif du cycle de 11 ans




On se reportera à cet article sur ce même site pour des informations concernant l'aspect énergétique et spectral des variations d'activité solaire lors du cycle de 11 ans.

Brièvement, pour une variation de 1 W/m2 de TSI, 0.4W/m2 concerne les UV entre 0.2 et 0.3 microns absorbés, à 90%, par l'ozone de la stratosphère.

Nous faisons l'hypothèse que le chauffage en résultant est rayonné moitié vers l'espace et moitié vers la troposphère sous forme d'IR lointains.

En passant nous remarquons que d'un point de vue strictement radiatif, la présence d'une stratosphère de ce type refroidit les couches inférieures.

Si on considère, de plus, un albédo de 0.3 qui s'applique au rayonnement restant, le flux absorbé par le couple troposphère/ surface est de 0.63 W/m2 pour 0.70 W/m2 estimés dans l'article précédent.

Le forçage se rapportant à la surface de la sphère est donc de 0.63 W/m2 divisé par 4, soit en arrondissant, 0.158 W/m2.









2-     signal température du cycle de 11 ans




D'après Hansen, plusieurs analyses ont extrait une variation de température globale de 0.1°C associée au cycle solaire.

Camp and Tung sont plus extrémistes en détectant un signal de 0.18 +-0.08°C/ par unité de TSI.

Citons l'étude de Stevens et North (96), qui indique un signal de 0.06°C-0.08°C/ unité de TSI.


Le filtrage du signal de température n'est certainement pas simple puisque ce dernier se cache aisément dans le bruit de la variabilité.(écart-type interannuel de l'ordre de 0.18°C)



La corrélation  de l'anomalie NASA-GISS filtrée de l'ENSO (et sommairement, du Pinatubo), détrendée entre 1979 et 2008, avec la TSI, donne le meilleur R2 pour des anomalies moyennées sur 3 ans.












La pente de la tendance linéaire indique alors une variation de 0.0659°C par unité de TSI

Il est à noter que les dernières années viennent fortement dégrader la corrélation.

Si on ne tient pas compte de ces années la pente est alors de 0.106°C par unité de TSI.

Nous prendrons donc comme ordre de grandeur une valeur de 0.1°C/unité de TSI associée au cycle de 11 ans.




3-     simulation par le modèle à couche bien mélangée unique




On considère une couche unique pour simuler l'inertie thermique du système.

On peut déterminer l'épaisseur de la couche à l'aide du modèle déjà décrit sur ce site, en se calant sur les résultats des modèles tels que présentés dans le chapitre 8 de l'AR4 du GIEC.

Ces modèles nous donnent une moyenne de sensibilité à l'équilibre de 3.21°C et une moyenne de TCR de 1.76°C.

Dans ce cas le modèle nous donne une épaisseur de 470 m.

Si on applique cette épaisseur à une variation cyclique de TSI de 1W/m2, on obtient le résultat tel que figurant sur le graphe ci-dessous.






La variation maximum est de 0.004°C, soit 25 fois moins que la « réalité ».

Pour retrouver les 0.1°C il faudrait donc appliquer un coefficient multiplicateur de 25, environ.




4-     première amélioration du modèle



A l'évidence, le modèle à couche unique ne convient pas pour simuler l'influence du cycle de 11 ans.

Le signal solaire global est égal à la somme pondérée des surfaces, du signal océanique et du signal terrestre.

Mais les températures terrestres sont très largement influencées par les océans eux-mêmes.

Voici, tiré des données NCEP, l'écart saisonnier maximum de la température (ramenée à 1000hPa), pour une même latitude (50°N), et pour des longitudes espacées de 10° sur toute la circonférence du globe.






Il apparaît assez nettement que l'écart maxi diminue fortement sur les océans, du fait de leur inertie plus grande, et que cet écart augmente au fur et à mesure que l'on s'éloigne des océans sur les terres.

L'écart moyen des terres est de l'ordre de 30°C, pour un écart théorique voisin de 53°C.


On peut calculer un coefficient d'influence maritime (CIM) de la façon suivante :


30°C = CIM * 8°C + (1-CIM)*53°C


soit


 CIM = 0.511



les 8 °C représentent l'amplitude annuelle maximum observée sur les océans.

Les 53°C représentent ce que donne le calcul, à l'aide du modèle ci-dessus, en prenant une inertie thermique pour les terres, de 5 m d'eau (atmosphère, sol, glace,...), et en considérant la variation d'insolation saisonnière à cette latitude.

Ce dernier paramètre est une simplification puisqu'il ne considère que la variation saisonnière TOA du flux solaire avec un albédo considéré comme constant, ce qui n'est pas forcément le cas, bien entendu.

Mais nous nous préoccupons ici de l'ordre de grandeur.


Notre but est de déterminer le signal global à partir des signaux terrestre et océanique.


Le flux océanique modère l'écart terrestre principalement en permettant l'échange de chaleur entre terres et océans, par exemple par advection.


Il faut donc également tenir compte, dans les calculs qui concernent l'océan, d'un flux « récupéré » des terres qui vient réchauffer, ou refroidir, les océans.


Pour simplifier nous considérerons que les variations moyennes océan et terres sont toujours dans le même sens et que par conséquent, le flux récupéré des terres, s'ajoute au flux qui s'exerce directement sur les océans.


Le flux récupéré des terres est proche de 1-CIM, soit 0.489 fois le flux théorique.

Comme ce flux s'appliquait sur 30% de la surface et qu'il doit s'appliquer sur 70% de la surface globale, le coefficient à prendre en compte est 0.489*30/70 = 0.21 environ.


La température globale se calcule donc comme suit


TG = 0.7 * 1.21 * T oc th + 0.3*0.5* T ter th


d'où


TG = 0.85 Toc th +0.15 T ter th


(le th signifiant théorique)


Pour calculer le Toc th dans le cas de la couche unique,il faut considérer une épaisseur d'océan telle que la moyenne pondérée des surfaces soit égale à 470m.


Ceci nous donne une épaisseur de :


(470-5*0.3)/0.7 = 670 m d'océan.


le calcul nous donne :


Toc th = 0.0026°C


Tter th = 0.112°C

soit


TG = 0.019°C


On est déjà  meilleur qu'avec l'approximation précédente qui était de 0.004°C.


Néanmoins pour obtenir le delta T de 0.1°C globalement, il faudrait multiplier le forçage solaire théorique par 5.3.




5-    deuxième amélioration du modèle : le modèle multicouches.



Cette amélioration est basée sur le fait que, dans la réalité, il faut un certain temps pour qu'un signal de température diffuse dans les profondeurs de l'océan, depuis la surface vers le fond, en passant par la thermocline etc.

Camp and Tung justifient un signal solaire important par le fait que celui-ci n'a pas le temps de diffuser au-delà de quelques mètres sous la surface.

Ceci est très nettement exagéré, et les amène, de notre point de vue, à des conclusions erronées.

La simple observation de la pénétration du signal saisonnier, beaucoup plus court encore (10 fois plus court), dans l'océan aurait pourtant pu les renseigner.

Mais revenons en à la construction de ce nouveau modèle.

Nous simplifions évidemment les processus en les ramenant à des échanges thermiques et de matière entre différentes couches superposées.


voir le schéma simplifié ci-dessous:









Nous paramétrons ce modèle dans la première centaine de mètres grâce aux variations saisonnières telles que répertoriées par Levitus sur toutes les mers du globe, et pour ce qui est plus bas,  par les variations de température long terme toujours selon Levitus.

(Les infos sur les bases de données utilisées seront fournies sur demande)


Nous aboutissons finalement à un profil d'échange de température (ou de débit) en fonction de la profondeur, comme suit.





Il est à noter que, comme on pouvait s'en douter, l'échange diminue fortement à partir des 100-200m vers les profondeurs.


Voici donc ce que donne le calcul de TG à l'aide de ce modèle paramétré sur des observations.


On trouve


Toc th = 0.0166°C


Tter th = 0.112°C


soit


TG = 0.0309°C


Il y a encore une amélioration nette par rapport au modèle précédent, quoiqu'il faille encore multiplier par 3.2 environ pour obtenir le signal de 0.1°C.


C'est déjà mieux que 25 ou 5.2.


On peut, pour info, observer comment le modèle représente le signal solaire à 10, 90, 175 et 500m de profondeur.




(graphique réalisé avec le facteur d'amplification de 3.2)


On peut noter le décalage important, de l'ordre de 5 à 6 ans, entre le signal de surface et le signal, très faible, à 500m.


Contrairement à ce que prétendent Camp and Tung, le signal pénètre bien dans l'océan, en s'affaiblissant.

A moins bien sûr que le signal de 11 ans obéisse à des règles différentes de celles du signal saisonnier, beaucoup plus court.

Mais ce ne serait pas logique que le signal du cycle de 11 ans pénètre moins que le signal saisonnier dont voici un exemple:







Le coefficient de multiplication du forçage solaire, tel qu'établi par ce modèle paramétré sur des observations, est donc très probablement égal à 3.2, si le signal du cycle de 11 ans est bien de 0.1°C.


Nous ne disserterons pas sur les causes de cette amplification très longtemps étant donné l'état un peu faiblard de la science dans ce domaine.


On pourra évoquer l'influence de la stratosphère, influencée elle-même, par la variation de forçage des UV, sur la circulation atmosphérique de la troposphère, aboutissant à des variations de couverture nuageuse par exemple.

.......

On pourra citer l'hypothèse de Svensmark concernant les relations nuages bas et rayons cosmiques....


Bref, pour le moment, on ne sait pas dire.



6-     reconstruction de la température globale de 1881 à 2008.



Une conséquence, importante, de ce coefficient d'amplification de 3, est qu'il s'applique également, à l'évidence, à la tendance long terme de l'activité solaire.


Nous tiendrons compte d'une variation de l'activité solaire dérivée de celle exposée dans Wang, Lean et Shelley 2005.

Cette variation depuis 1697 est représentée ci-dessous.







Concernant les différents forçages la base sera celle de la NASA-GISS.


Cette base sera remise à jour par l'utilisation des données de forçages GES de la NOAA depuis 1979 (plus réalistes), les données aérosols, déjà imprécises par nature, seront figées à leur dernière valeur, ainsi que l'utilisation des sols, les aérosols stratosphériques, etc.


le forçage solaire pris en compte sera celui de Wang 2005 multiplié par le facteur d'amplification de 3.2.


Enfin, nous tiendrons compte d'un forçage ENSO établi en considérant le bilan net TOA établi par Takmeng Wong lors de l'épisode Niño de 1997-1998 (environ 1W/m2 par °C d'anomalie nino 34).


La reconstruction de l'indice nino 34, indispensable du fait du manque de données avant 1948, sera établie en considérant la corrélation entre nino34 après 1950, et le SOI.

C'est cette reconstruction qui sera utilisée, dans un souci d'homogénéité, à la place des valeurs réelles sur toute la période.



Voici donc ce que donne l'anomalie globale reconstruite, en parallèle avec l'anomalie globale NOAA.





(dans toutes les reconstructions de cet article, le coefficient de sensibilité climatique sera pris à 0.75°C.m2/W)

Cette reconstruction, avec un forçage solaire amplifié par rapport à ce qui est utilisé habituellement, donne une plutôt bonne corrélation avec la température globale mesurée, y compris entre 1900 et 1950.


Le modèle utilisé comporte 11 couches superposées avec, de haut en bas, 5 couches de 20m, 2 de 50m, 1 de 100m, une de 400m, 1 de 500, 1 de 1800m.

Ce sont donc 3000m d'épaisseur océanique concernés.


La couche de 1800m est supposée ne pas échanger avec la couche inférieure.


Il peut être intéressant de représenter l'évolution du signal avec la profondeur :









Ainsi que la reconstruction de la température en utilisant le signal solaire seul.







D'après cette reconstruction, l'influence solaire sur le réchauffement global, depuis 1881, est de 15% environ.


Elle est quasi-nulle pour les 50 dernières années.


Le modèle reproduit  assez bien les  0.1°C du cycle de 11 ans.

On notera que l'influence solaire à long terme, faible, provient de la reconstruction de la TSI de Wang utilisée et ce malgré le coefficient d'amplification de 3.2.

On notera également que les valeurs de Camp and Tung conduiraient à un coefficient de 5.8, ce qui porterait l'influence solaire, depuis 1881 à 27%.


Ce chiffre n'est pas négligeable mais ne remet pas en cause de façon très significative l'influence des autres facteurs sur l'évolution de la température depuis 128 ans.









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